三维可视化

三维可视化 近年来,随着GIS和虚拟现实(VR)技术的发展,军事演习和指挥决策在概念上有了新的飞跃,通过建立虚拟作战实验室来进行军事训练和研究。利用基于GIS三维动态可视化仿真技术,场景建模技术和图形图象处理技术,开发出关于某一特定的战场地形区域的真实全面的虚拟战场地形环境系统,使指挥人员有身临其境的体验。 1 GIS及其可视化原理 1.1 GIS简介 地理信息系统(GIS)是一门地学空间数据与计算机技术相结合的新型空间信息技术。它以空间数据库为基础,在计算机软硬件的支持下,对空间数据进行采集,管理,操作,和显示,并采用地理模型分析法,适时提供多种空间和动态地理信息的计算机系统。近几年来把GIS技术用到军事上的战场地形的研究已经取得了不少的进步。 1.2 基于GIS的图形表达 GIS中的图形以矢量表示和存储的。图形的实质就是空间点在三维平面的投影,可以分解为:点,线,面,体等几种不同的图形元素。因为矢量化图形的各个部分可以用数学的加以描述,可以对其进行任意的变换,放大,缩小,旋转,变形,移位,叠加等,并保持图形的空间拓扑关系不变。而且矢量图形的基本组成是点,线,面,体,可以进行单独定义,控制,操作,分析,查询图形对象的空间信息及其相关的属性信息。 1.3 基于GIS的战场地形信息的组织 GIS将空间实体对象用空间数据和属性来共同描述并分别存储。前者描述实体的数据和拓扑关系等,后者描述实体的属性和两者的关联标识,空间数据和属性数据通过内部代码和用户标识码作为公共数据项连接起来,使得空间对象的每个图元与描述图元的属性一一对应起来。利用GIS特有的混合空间数据组织形式为反映战争中复杂的地形环境提供了条件。战场数字建模是把客观存在的战场地形环境实体在计算机中用真实的空间位置来表示,实现了地形空间实体与属性数据一一对应。 2 三维虚拟战场地形的可视化数字建模 2.1 DEM地形数据的组织和表达 地表数字地形模型(Digital Terrain model,即DTM)是虚拟战场地形模型的重要组成部分。三维地形数据结构是构造虚拟战场地形环境的基础,关键技术是DEM(数字高程模型)的表达。对DEM数据的组织较多的用不三角网(Triangulated Irregular Network,即TIN)模型或规则网格(GRID)模型(如图3)。TIN模型是由分散的地形点按照一定的规则构成的一系列不相交的三角形网组成,所表示的地形表面的真实程度由地形点的密度决定,并能充分表现高程细节的变化,适合于地形复杂的地区。TIN可以利用原始高程点重建地形表面,地形平坦的地方多边形较少;复杂的地区多边形较多,对地形的描述具有很好的合理性。GRID模型具有较小的存贮量和简单的数据结构。 对复杂的战场地形的建立一般用TIN。TIN的存贮采用文件集的形式,每个文件存贮网格的节点坐标,高程坐标,节点号,空间索引标识,边界,渲染和文件指针等信息。建立地形实体DTM一般由地形等高线原始数据按一定的算法生成TIN。算法包括Delaunay三角形的分治算法,点插入法和三角网生长法。这些算法都遵循以下原则: a)TIN的唯一性。 b)使每个三角形尽最大可能接近等边三角形。 c)三角形的边长总和最小。 对初始的TIN,应消除由于等高线数据过于密集或采集信息缺少而形成的细小的,狭长的三角形,来提高TIN的精度。 根据GIS地形信息组织的基本原理,对TIN的数据结构的组织,采用了面向对象的程序思想,以Visual C++6.0 为开发语言,设计了CTinLine三个点的主要成员。 1.测量点类: 2. 三角形边类 3. 三角形CTIN类 2.2 地形实体的数字建模 用GIS的空间数据组织结构实现地形环境实体的数字建模。按照地形对象的属性,可以将地形对象分为点,线,面,体四类数据结构来表达。 3 三维数字地形模型的可视化操作与分析 3.1 三维数字地形的动态显示 为了达到逼真的显示效果,在三维几何模型上叠加实物影象数据。地形的纹理的构造可由TIN模型中的三角形与山体的正射影象图的扫描坐标匹配,从而取得三角形内影象的恢度值或RGB值,然后把数据叠加到TIN模型上,由此得到真实光照和表面纹理的显示效果。为了提高三维地形模型的显示速度和效果,以及为了降低纹理贴图时,影响数据的量,使用视点相关的动态多分辨率纹理模型(View-dependent and Multi-resolution Texture Model)。距离观察者远近不同的区域其纹理分辨率不同,即影射的距离观察者较远的区域,其纹理具有较低的分辨率,相反具有较高的分辨率,这也符合视觉原理。(具体算法可参照文献[4])观察者远距离(在高空中)观察看到的是粗略的地形;近距离观察的是细微的地形。在虚拟的战场地形环境中要表现这一特点,实现地形的动态地近乎人性化的显示用了一种叫做视相关的实时Lod地形模型的多分辨率显示技术(View-dependent and real-time LoD model of Multi-resolution terrain Rendering)。 在距离视点较近时用较多的多边形描述;较远时用较少的多边形描述。可以平衡图形负载,符合场景的真实地表现的特点。 3.2 可视化的三维数字地形查询 实现查询的前提是数字模型的空间数据与属性数据的一一对应。问是二维屏幕显示的点和三维模型的实际点不是一一对应的。这就必须用计算机图形学的知识进行二维到三维的转化。若屏幕捕获到的点对应着地形点的坐标,到对应的真实三维坐标。 3.3 三维空间地形数据的分析 主要给出地形剖面绘制及空间距离量测的方法。由鼠标在显示的三维数字地形DTM上任取两点由可视点判别法得到对应的实际的地形的三维坐标,。根据它们的平面位置和TIN模型存贮的数据结构和所在的TIN模型的三角形编号,由起点和终点的三角形位置和连线,可以得到与该连线相交的三角形的编号,从而求得剖线与一系列三角形相交的点的三维坐标把这些点两两相连构成一条三维曲线。选取合适的比例尺可以绘制出两点的地形剖面图。总而言之三维可视化使得3D技术快速发展,,以数据的直观可视化为出发点来形象地描述战场地形的特征,并能实现查询分析功能,为全面准确快速掌握战场的实时地形信息,提供了有力的工具。 我觉得如果把GIS的三维动态可视化技术引进到虚拟战场地形环境中去,那么战争的伤亡会大大减少。